Nazwisko i imię Wiejaczka Krzysztof	Rok I mgr	Grupa lab. Odlewnictwo B
Wydział Odlewnictwa AGH
Procesy technologii kształtowania struktury i własności odlewów
Nr tematu 3	Temat Wpływ szybkości stygnięcia na strukturę i własności odlewów	Data 15.03.2012
	Ocena Data	Podpis
Laboratorium ocena sprawozdania

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wpływem szybkości stygnięcia na strukturę i własności odlewów.

Część teoretyczna

Własności użytkowe odlewu zależą nie tylko od składu chemicznego, ale w dużej mierze od procesu stygnięcia odlewu, który w zasadniczy sposób kształtuje strukturę. Gabaryty odlewu i stosowana technologia odlewania wpływają na szybkość stygnięcia, czyli w konsekwencji na strukturę przyszłego wyrobu.

Żeliwo należy do stopów odlewniczych o szczególnie dużej wrażliwości na szybkość stygnięcia, co wyraża się znaczną niejednorodnością struktury, a tym samym niejednorodnością własności mechanicznych, w różnych częściach odlewu. Zjawisko to jest następstwem wpływu szybkości stygnięcia na proces krystalizacji żeliwa, przede wszystkim na grafityzację oraz, w mniejszym stopniu na porowatość odlewu żeliwnego.

Rys. 1. Wpływ szybkości chłodzenia V_f na przechłodzenie żeliwa podczas krystalizacji eutektyki:1-żeliwo wyjściowe, 2- żeliwo modyfikowane

Wykres przedstawia wpływ szybkość chłodzenia na stopień przechłodzenia. Modyfikacja zwiększa szybkość krytyczną V_f, co powoduje przechłodzenie metalu do zakresu w którym zaczyna krystalizować eutektyka cementytowa. Wpływ szybkości chłodzenia na przechłodzenia względem temperatury T_{e, st} jest znacznie większy od jej wpływu na przechłodzenie względem temperatury T_{e, mst.}

Czynniki wpływające na wrażliwość żeliwa na szybkość chłodzenia:

• Skład chemiczny – najsilniejszy wpływ ma węgiel, bo ze zwiększeniem jego zawartości zwiększa się niejednorodność struktury w odlewie. Korzystnie wpływa nikiel, cyna i miedź

• Parametry stanu ciekłego – ilość gazów rozpuszczonych w ciekłym metalu oraz zdolność zarodkowania grafitu.

Ponadto na szybkość chłodzenia ma wpływ:

- grubość ścianek i konstrukcji odlewu

- rodzaj materiału i temperatury formy odlewniczej

- temperatura odlewania

Zmniejszenie wrażliwości żeliwa na szybkość chłodzenia osiąga się poprzez:

-ograniczenie C, Si, P

-zmniejszenie zawartości gazów

-dobór układu wlewowego

-wprowadzenie Ni, Cu, Sn (zmniejszają zróżnicowanie struktury)

-wrażliwość na szybkość chłodzenia zmniejsza się w miarę podwyższenia gatunków żeliwa

W miarę zmniejszenia wartości Sc czyli w miarę podwyższenia gatunku żeliwa, zmniejsza się wrażliwość żeliwa na szybkość chłodzenia . Im większy moduł tym twardość mniejsza.

Ce=C-0,31Si-0,33P

Sc=$\frac{C}{\text{Cent}}$=$\frac{C}{4,26 - 0,31\text{Si} - 0,33P}$

Im mniejszy stopień nasycenia eutektycznego tym zwiększa się twardość.

Łączny wpływ podstawowych pierwiastków żeliwa uwzględnia współczynnik nasycenia eutektycznego Sc

Korzystny wpływ na zmniejszenie wrażliwości na szybkość stygnięcia mają Mo, Mo-Cu, Mo-Ni-Cr oraz zabieg sferoidyzacji zmniejsza szybkość stygnięcia żeliwa.

Ocenę wrażliwości żeliwa na szybkość stygnięcia dokonuje się przy użyciu próbek technologicznych o zmiennej grubości ścianki (rys. 2). Próbki typu zamkniętego i schodkowego pozwalają na ocenę rozkładu struktury i twardości w częściach o różnej grubości ścianki, natomiast próbka złożona z prętów umożliwia określenie wrażliwości żeliwa na szybkość stygnięcia w odniesieniu do własności mechanicznych R_m, R_g, itp.

Rys. 2. Próbki do oceny wrażliwość żeliwa na szybkość stygnięcia b) typ schodkowy, a,c) typ zamknięty, d) złożona z czterech prętów

.

Przebieg ćwiczenia:

Na zajęciach wykonaliśmy wytop żeliwa w piecu indukcyjnym o średniej częstotliwości. Żeliwo poddano zabiegowi sferoidyzacji za pomocą zaprawy magnezowej (efekt pirotechniczny). Temperatura ciekłego metalu podczas zalewania wynosiła 1490˚C. Wykonano odlewy do prób:

1. Klin Meechanite III:

1. Próbka schodkowa:

1. Próba klinowa (płytki grubości 2, 3, 5, 13 [mm])

4) Kokila do składu chemicznego

Skład chemiczny żeliwa:

C 3,64%

Si 2,66%

Mn 0,4%

P 0,05%

S 0,01%

Mg 0,044%

Sc =$\ \frac{C}{\text{Cent}}\ $=$\ \frac{C}{4,26 - 0,31\text{Si} - 0,33P}$ = 1,06

Wyniki pomiarów

Do analizy zmian mikrostruktury w funkcji grubości ścianek posłużyła nam próba schodkowa. Dzięki mikroskopowi optycznemu firmy Leica sprzężonemu z komputerem wyposażonym w program do ilościowej analizy obrazu Leica QWin, określiliśmy parametr długości płatków grafitu. Pomiar obejmował wybranie 3 najdłuższych płatków i wyznaczenie ich długości. Jako wartość wyjściowa wzięta została średni 3 pomiarów.

Tabela. 1. Wyniki pomiarów próby schodkowej

Wysokość schodków [mm]	3	6	12	25
Twardość HB	272	224	221	215
Dług. Wydzieleń płatków grafitu pow.100x [µm]	45,63	121,99	211,59	212,67

Rys. 3. Wykres zależności twardości od grubości schodka

Rys. 4. Wykres zależności długość wydzieleń płatków grafitu

od grubości schodka

Do pomiaru wytrzymałości na rozciąganie posłużyła próba polegająca na odlaniu różnej grubości płytek (2, 3, 5, 13 mm) z który zostały przygotowane odpowiednie próbki. Do wykonania form użyto masy z żywicą. Do każdej wnęki formy została doprowadzona termopara służąca do pomiaru temperatury podczas stygnięcia.

Tabela. 2. Wyniki pomiarów próby płytkowej

Grubość płytki [mm]	2	3	5	13
Twardość HB	278	277	190	175
Wytrzymałość na rozciąganie [MPa]	830	750	670	490

Rys. 5. Wykres zależności twardości od grubości płytki

Rys. 6. Wykres zależności wytrzymałości na rozciąganie od grubości płytki

Mikroskop optyczny oraz program LeciaQwin pozwoliły na obserwacje mikrostruktury żeliwa szarego wykonanych z próby schodkowej. Próbki były trawione nitalem. Obserwacje prowadzono przy powiększeniu 1000x.

Próbka 1) 25 [mm] – widoczny grafit płatkowy, osnowa perlityczna o dyspersji 0,47 [µm]

Próbka 2) 12 [mm] - widoczny grafit płatkowy, osnowa perlityczna

Próbka 3) 6 [mm] – niemożliwe obserwacje z powodu złego przygotowania próbki

Próbka 4) 3 [mm] - widoczny grafit płatkowy, osnowa perlityczna, widoczna eutektyka

fosforowa na granicach ziaren.

Wnioski

Szybkość stygnięcia ma wpływ na strukturę stopu oraz jego właściwości. Wykonana próba schodkowa pokazuje, że wzrost grubości ścianki skutkuje zmniejszeniem twardości, natomiast obserwujemy wzrost długości wydzieleń grafitu płatkowego. W przypadku grubości ścianek powyżej 12 mm długość wydzieleń zmienia się nieznacznie. Przy grubości 3 i 6 mm wzrasta udział grafitu o rozmieszczeniu dendrytycznym. Wraz ze zmniejszeniem grubości ścianki zmniejsza się dyspersja perlitu.

Próba płytkowa pokazuje również spadek twardości wraz ze wzrostem grubości płytki. Również takie zjawisko można zaobserwować w przypadku wytrzymałości na rozciąganie Rm.

Określenie tych parametrów pomaga w konstruowaniu odlewu.

Literatura:

1. C. Podrzucki: Żeliwo struktura właściwości zastosowanie. Tom 1 i 2, Wyd. ZG STOP, Kraków 1991.

2. E. Fraś: Krystalizacja żeliwa. Skrypt AGH, Kraków 1981.

3. Notatki własne z przedmiotu Procesy technologii kształtowania struktury i własności odlewów